初识指令重排序,Java 中的锁

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指令重排序

Java语言规范JVM线程内部维持顺序化语义，即只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码逻辑顺序不一致，这个过程就叫做指令的重排序。

    指令重排序的意义：使指令更加符合CPU的执行特性，最大限度的发挥机器的性能，提高程序的执行效率。

看个demo

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int j=0;
        int k=0;
        j++;
        System.out.println(k);
        System.out.println(j);
    }

上面这段代码可能会被重排序:如下

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int k=0;
        System.out.println(k);
        int j=0;
        j++;
        System.out.println(j);
    }

此时指令的执行顺序可以与代码逻辑顺序不一致,但不影响程序的最终结果.

再看个demo

public class ThreadExample2 {

    static int i;
    public  static boolean runing = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        traditional();
        Thread.sleep(100);
        runing = false;
    }

    public static void traditional() {
        Thread thread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (runing){
                    i++;//没有方法,JVM会做指令重排序,激进优化
                }
            }
        };
        thread.start();
    }
    
}

执行下main方法

 可以看出该程序一直在跑,不会停止.

此时jvm发现traditional方法内没有其他方法,JVM会做指令重排序,采取激进优化策略,对我们的代码进行了重排序

如下:

static int i;
    public  static boolean runing = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        traditional();
        Thread.sleep(100);
        runing = false;
    }

    public static void traditional() {
        Thread thread = new Thread() {
            boolean temp=runing;//注意这里,此时while的条件永远为true
            @Override
            public void run() {
                while (temp){
                    i++;//没有方法,JVM会做指令重排序,激进优化
                }
            }
        };
        thread.start();
    }

因此程序不会停止.

我们稍微改动下代码,在while 循环里加个方法

static int i;
    public  static boolean runing = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        traditional();
        Thread.sleep(100);
        runing = false;
    }

    public static void traditional() {
        boolean temp=runing;
        Thread thread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (runing){//
                    i++;//没有方法,JVM会做指令重排序,激进优化
                    //有方法,JVM认为可能存在方法溢出,不做指令重排序,保守优化策略
                    aa();
                }
            }
        };
        thread.start();
    }

    public static void aa(){
        System.out.println("hello");
    }

看下结果

 可以看出,程序自行停止了,因为有方法,JVM认为可能存在方法溢出,不做指令重排序,采取保守优化策略

runing = false;

全局变量runing 改动值以后,被thread线程识别,while 循环里值变为false,就自动停止了.

ok,继续,我们把main方法中的sleep()注释掉,如下

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        traditional();
        //Thread.sleep(100);
        runing = false;//会优先执行主线程的代码
    }

    public static void traditional() {
        boolean temp=runing;
        Thread thread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (runing){//
                    i++;
                }
            }
        };
        thread.start();
    }

看下结果:

 此时,程序停止了,这是为什么呢:

可能是因为thread 线程和main线程竞争cpu资源的时候,会优先分配给main线程(我不确定,读者们可以自己思考一下)

Java 中的锁

synchronized关键字

　　在1.6版本之前,synchronized都是重量级锁

　　1.6之后,synchronized被优化,因为互斥锁比较笨重,如果线程没有互斥,那就不需要互斥锁

重量级锁

1.当一个线程要访问一个共享变量时，先用锁把变量锁住，然后再操作，操作完了之后再释放掉锁，完成

2.当另一个线程也要访问这个变量时，发现这个变量被锁住了，无法访问，它就会一直等待，直到锁没了，它再给这个变量上个锁，然后使用，使用完了释放锁，以此进行

3.我们可以这么理解:重量级锁是调用操作系统的函数来实现的锁--mutex--互斥锁

以linux为例:

1.互斥变量使用特定的数据类型：pthread_mutex_t结构体,可以认为这是一个函数
2.可以用pthread_mutex_init进行函数动态的创建 : int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t * attr)
3.对锁的操作主要包括加锁 pthread_mutex_lock()、解锁pthread_mutex_unlock()和测试加锁 pthread_mutex_trylock()三个

3.1  int pthread_mutex_tlock(pthread_mutex_t *mutex) 在寄存器中对变量操作（加/减1）
3.2  int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) 释放锁,状态恢复
3.3  int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)
 pthread_mutex_trylock()语义与pthread_mutex_lock()类似，不同的是在锁已经被占据时返回EBUSY而不是挂起等待

函数pthread_mutex_trylock会尝试对互斥量加锁，如果该互斥量已经被锁住，函数调用失败，返回EBUSY，否则加锁成功返回0，线程不会被阻塞

偏向锁

偏向锁是synchronized锁的对象没有资源竞争的情况下存在的,不会一直调用操作系统函数实现(第一次会调用),而重量级锁每次都会调用

看个demo

public class SyncDemo2 {

    Object o= new Object();

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("pppppppppppppppppppppp");
        SyncDemo2 syncDemo = new SyncDemo2();
        syncDemo.start();
    }

    public void start() {
        Thread thread = new Thread() {
            public void run() {
                while (true) {
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                        sync();
                    } catch (InterruptedException e) {

                    }
                }
            }
        };

        Thread thread2 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    try {
                       Thread.sleep(500);
                        sync();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };

        thread.setName("t1");
        thread2.setName("t2");
        //两个线程竞争时,synchronized是重量级锁,一个线程时,synchronized是偏向锁
        thread.start();
        thread2.start();
    }

    //在1.6版本之前,synchronized都是重量级锁
    //1.6之后,synchronized被优化,因为互斥锁比较笨重,如果线程没有互斥,那就不需要互斥锁
    public void sync() {
        synchronized (o) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

代码很简单,就是启动两个线程,并且调用同一个同步方法,看下结果

 可以看到,两个线程都执行了该同步方法,此时两个线程竞争,synchronized是重量级锁

我们把一个线程注释掉

//两个线程竞争时,synchronized是重量级锁,一个线程时,synchronized是偏向锁
        thread.start();
        //thread2.start();

看下结果:

此时synchronized是偏向锁

 那么怎么证明呢:我目前没那个实力,给个思路.

1.需要编译并修改linux源码函数pthread_mutex_lock(),在函数中打印当前线程的pid

2.在同步方法中打印语句"current id"+当前pid(需要自己写c语言实现),java的Thread.currentThread().getId()不能获取操作系统级别的pid

3.两个线程竞争时,执行一次

 说明是重量级锁,因为每次都调用操作系统的函数pthread_mutex_lock()来实现

4.注释掉一个线程,再执行一次

 说明是偏向锁,因为第一次会调用pthread_mutex_lock(),后面就不调用系统函数了.